Kein Folientitel

Der neue Fahrsimulator der Universität Stuttgart
Präsentation zum ASIM Workshop
Ulm, 4./5. März 2010
von
Gerd Baumann (FKFS)
Anne Piegsa (Universität Suttgart, IVK)
Christoph Liedecke (Universität Suttgart, IVK)
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
1
Kurzfassung
Die Universität Stuttgart baut in enger Kooperation mit dem FKFS zurzeit den größten Fahrsimulator an
einer europäischen Forschungseinrichtung auf. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung
und Forschung mit 3,8 Mio € gefördert.
Die Anlage verfügt über eine Bewegungsplattform mit 6 + 2 Freiheitsgraden, die ebene
Linearbewegungen von etwa 10m x 7m ermöglicht. Damit lassen sich Fahrzeugbewegungen
realistischer nachbilden als mit den weit verbreiteten Hexapod-Simulatoren. Eine auf der
Bewegungsplattform montierte Simulatorkuppel kann komplette PKW aufnehmen. Dadurch befindet
sich der menschliche „Fahrer“ in einem realistischen Umfeld und bedient das Fahrzeug in gewohnter
Weise. Ein Rundum-Grafiksystem dient zur räumlichen Visualisierung der Fahrzeugumgebung.
Weiterhin ist ein hochwertiges Audio- und NVH-Simulationssystem vorgesehen. Der Simulator wird
Ende 2010 für öffentliche und industrielle Forschungsaufgaben verfügbar sein.
In dem Beitrag werden die Zielsetzungen und das technische Konzept des Stuttgarter Fahrsimulators
beschrieben. Im Mittelpunkt steht die Erforschung des Fahrerverhaltens und die Entwicklung von
Fahrerassistenzsystemen. Solche Systeme werden einerseits zur Unfallvermeidung bzw. zur
Reduktion der Unfallschwere eingesetzt. Hochwertige Fahrsimulatoren ermöglichen deren Erprobung
mit Normalfahrern ohne Gefahr für Leib und Leben der Probanden. Von zunehmender Bedeutung sind
auch Assistenzsysteme, die den Fahrer in geeigneter Weise beeinflussen, um den Energieverbrauch
z.B. durch nutzloses Beschleunigen und Abbremsen zu vermeiden. Der Umgang mit solchen
Systemen und die Akzeptanz können im Fahrsimulator und reproduzierbaren Bedingungen (z.B.
Verkehrsumfeld) mit Probanden bewertet werden.
Anhand von Beispielen wird dargestellt, welche Typen von Fahrerassistenzsystemen untersucht
werden können. Weiterhin wird die Integration von Realfahrzeugen in den Fahrsimulator sowie die
Generierung von haptischen Rückmeldungen erläutert.
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
2
Das VALIDATE-Projekt
• Zielsetzung: virtuelle Entwicklung von Assistenz- und Regelungssystemen im Kfz
• Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Messfahrzeug:
Streckenerfassung, Potenzialanalysen
Fahrsimulator:
Virtuelle Umgebung, realer Fahrer
VALIDATE
Simulation: neue Regelungs- oder
Assistenzfunktionen
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
Antriebsstrangprüfstand:
Erprobung realer Komponenten
RESEARCH IN MOTION
3
Zielsetzungen des Stuttgarter Fahrsimulators
•
•
•
•
F&E- Werkzeug, für Industriepartner nutzbar
Potenzialabschätzung von Fahrerassistenzsystemen und Nachweis der Wirksamkeit
unter Berücksichtigung des Fahrerverhaltens
Akzeptanzstudien und interaktive Erprobung virtueller und realer Komponenten
(Software-Prototypen bis Serie); Fehlersuche
Beispiele: ACC, Lenkfunktionen, Hybrid-Fahrstrategie, Collision Avoidance
Technisches Konzept:
•
•
•
•
•
•
Einbringen von Komplettfahrzeugen mit geringen Modifikationen
Visualisierung der Umgebung und Geräuschsimulation
Rekonstruktion der Beschleunigungen in allen Raumrichtungen soweit möglich
Nachbildung eines „elektronischen Umfelds“ für die Fahrzeugelektronik (Emulation der
CAN/LIN/Flexray-Netzwerke mittels HIL-Technologie)
„Synthetische GPS-Satelliten“ zum Betrieb von Navigationsgeräten etc.
Simulation von Umfeldsensorik (Radar, Videosysteme, Ultraschall)
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
4
Konstruktion des Fahrsimulators
Technische Daten:
•
•
•
•
Linearbewegung 10 x 7 m (2 DOF)
Hexapod (6 DOF)
Frequenzbereich bis 10 Hz
Kombinierte Längs- und
Querbeschleunigung bis ca. 0,6 g
• Kuppeldurchmesser 5,6 m
• 360 Grad Grafikprojektion
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
7
Anforderungen an Simulationsmodelle
• Echtzeitfähigkeit: Einbindung des Menschen in die Simulation im „Closed-LoopBetrieb“ erfordert stets deterministisches Echtzeitverhalten
• Kurze Zykluszeiten: Detaillierte Simulation von Reifen, Lenkung und Antrieb erfordert
Zykluszeit ~ 1 ms wegen numerischer Stabilität sowie ruckfreier Haptik der
Simulatorlenkung und des Bewegungssystems
• Vollständigkeit: Das Simulationsmodell für einen Fahrsimulator muss alle
Betriebszustände und Zustandsübergänge numerisch konsistent abdecken, z.B.
Übergang stehendes Fahrzeug / Vorwärts / Rückwärtsfahrt, Fahrdynamik im Normalund Grenzbereich, ansonsten entstehen haptische Störung
• Plausibilität: Das Verhalten eines Fahrsimulators muss für den „Fahrer stets
nachvollziehbar sein, um Akzeptanz und aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.
• Besondere Herausforderung: Rekonstruktion des Lenkrad-Rückstellmoments im
Fahrsimulator.
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
8
Lenkkraft-Rekonstruktion im Fahrsimulator (2)
Klassisches Verfahren:
• Simulation des Lenkmoments über Reifenund Lenkungsmodell
• Lenkradmoment-Rekonstruktion mittels
rastmomentfreiem Servo-Direktantrieb
Nachteil:
• Fahrzeugspezifiches „Lenkgefühl“ (bestimmt
durch Konstruktion der Servounterstützung,
Reibung, Steifigkeit ...) schwierig nachzubilden
Neuer Ansatz:
• Elektrolenkung in allen zukünftigen Fahrzeugen
• Lenkkraftrekonstruktion im Simulator durch
Ansteuerung des internen Lenkmotors
Vorteile:
• realistisches „Lenkgefühl“ durch reale
Lenkmechanik (Zahnstange, Lenksäule etc.)
• geringer Umbauaufwand für Realfahrzeug
LenkmomentSollwert
Quelle:
Heißing / Ersoy (Hrsg.):
Fahrwerkhandbuch
(Vieweg Verlag)
Lenkwinkel-Istwert
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
10
Anwendungsbeispiel: Hybrid- Fahrstrategie
•
•
•
•
Vorarbeiten: Entwurf, HIL-Betrieb und Grundabstimmung der Fahrstrategie für ein
Erdgas-Hybridfahrzeug am statischen Fahrsimulator des FKFS
Problem: präzise Verbrauchs- und Emissions- Modelle für den instationären Betrieb
des Verbrennungsmotors und der Hybridkomponenten fehlen
Ausweg: Integration des realen Hybridantriebs auf einem dynamischen Prüfstand in
die Interaktive Simulation
Damit Erhöhung der Entwicklungstiefe in der Simulation: Grundbedatung bezgl.
Verbrauch und Komfort (Antriebsstrang-Schwingungen, Start/Stopp-Häufigkeit etc.)
im Simulator möglich
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
11
Fahrereinfluss auf den Energieverbrauch:
Beispiel: erhebliche Varianz der zurückgewonnenen
Energiemenge bei einem Hybridfahrzeug im Schlepp- bzw.
Bremsbetrieb
Randbedingungen: 39 Fahrten mit unterschiedlichen
Fahrern auf einer repräsentativen Fahrstrecke
„StuttgartRundkurs“
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
14
Ausblick: Reichweitenassistenz für
Elektrofahrzeuge
Reichweitenproblematik:
• Begrenzte Reichweite durch hohe Gestehungskosten und geringe Energiedichte
der Batterie; Ladezeiten von mehreren Stunden
• Starke Abhängigkeit der im Realbetrieb erzielten Reichweite von der
Umgebungstemperatur (temperaturabhängiger Energieinhalt der Batterie,
Versorgung der Heizung und Klimaanlage aus der Batterie, Kühlleistungsbedarf
für Batterie und E-Maschine)
• Starke Abhängigkeit des Energiebedarfs von der Fahrweise (siehe Beispiel:
gemessene Rekuperationsmenge für ein reales Hybridfahrzeug mit
verschiedenen Fahrern auf einer repräsentativen Strecke)
Ziele von Fahrsimulator-Untersuchungen:
• Entwurf von Algorithmen für die Reichweitenprädiktion unter Berücksichtigung des
individuellen Fahrstils
• Entwicklung einer „Reichweitenassistenz“: Frühzeitige Optimierung des
Energiemanagements im Fahrzeug, z.B. Begrenzung der Heiz- und Kühlleistung
oder der Fahrleistungen, rechtzeitige Information des Fahrers, notfalls
Routenführung zum „sicheren Hafen“ etc.
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
16
Zusammenfassung
Der neue Stuttgarter Fahrsimulator ermöglicht Untersuchungen
•
•
•
zum Einfluss des Fahrers auf den Energiebedarf
zur Wirksamkeit von Fahrerassistenzsystemen
zum Entwurf von Fahrstrategien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge
Inbetriebnahme:
•
geplante Fertigstellung Ende 2010
Kontakt:
•
•
•
Dr. Gerd Baumann, FKFS, [email protected]
Dr. Anne Piegsa, IVK, Universität Stuttgart, [email protected]
Dipl.-Ing. Christoph Liedecke, IVK, Universität Stuttgart, [email protected]
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart
RESEARCH IN MOTION
18